2 Réseaux de nanofils métalliques dans AAO
2.4 Caractérisations des propriétés magnétiques
La description détaillée des contributions à l’énergie magnétique donne une vue d’ensemble des phénomènes intrinsèques et extrinsèques qui détermineront la réponse magnétique des réseaux de NFs soumis à diverses excitations magnétiques. Dans le cadre de ce travail, nous ne nous focaliserons pas sur la mise en évidence et la compréhension de ces phénomènes mais nous nous attacherons essentiellement à mesurer les propriétés magnétiques des NFs par le biais de deux techniques habituellement mises en œuvre à l’IMCN. Notre principal objectif est de corréler les propriétés magnétiques macroscopiques des réseaux de NFs synthétisés dans les templates modifiés par la présence de l’écorce (BTO ou PZT) à leurs caractéristiques microscopiques (morphologiques et structurales), sur la base d’études comparatives avec les réseaux de NFs magnétiques dans les templates vierges. Pour terminer ce chapitre, une présentation des deux techniques utilisées dans le cadre de cette thèse est proposée.
2.4.1 Mesures magnétiques statiques
Cette approche mesure le moment magnétique global d’un échantillon sous l’influence d’un champ extérieur. Dans le cas d’un réseau de NFs, le champ magnétique est d’abord appliqué dans une direction donnée, parallèle ou perpendiculaire à l’axe de révolution des NFs, dans le but de saturer l’aimantation de l’échantillon. Puis il est inversé jusqu’à saturation opposée et enfin à nouveau saturé dans la première direction. Il s’agit du type de mesures magnétiques le plus répandu pour tracer des cycles d’hystérésis magnétiques -( ) dans le but de déterminer les paramètres classiques tels que la coercivité /, l’aimantation à saturation r et la rémanence ” (Figure. 2.14).
Figure. 2.14. Allure générale d’un cycle d’aimantation montrant le moment magnétique (normalisé) mesuré en fonction d’un champ magnétique extérieur. L’aimantation à saturation MS, l’aimantation rémanente M– et le champ coercitif HC sont indiqués sur le graphe
La rémanence ” est l’aimantation résiduelle du matériau après coupure du champ externe. La coercivité, ou champ coercitif /, correspond à la valeur de champ qu’il faut appliquer pour annuler l’aimantation. On estime que pour un volume et une taille de grains donnés, un matériau atteindra toujours une même valeur d’aimantation à saturation r quelle que soit sa géométrie. Toutefois, les chemins de magnétisation caractérisés par la forme de l’hystérésis et les paramètres / et ” peuvent varier.
Nous utilisons deux techniques complémentaires pour les mesures de cycles d’hystérésis magnétiques. La première est un magnétomètre à gradient de force alterné (Alternating Gradient Force Magnetometer, AGFM) pour des mesures à température ambiante. L’échantillon est monté sur un support mobile comportant un quartz piézoélectrique, puis est soumis à un gradient de champ magnétique (1.4T max). La force résultante est directement proportionnelle à l’état d’aimantation de l’échantillon et elle peut être mesurée à partir de la tension aux bornes du quartz avec une sensibilité de 1 µemu. Cet appareillage acquis à l’IMCN en cours de thèse sera surtout utilisé en fin d’étude.
Le dispositif utilisé majoritairement tout au long de nos travaux est
un magnétomètre supraconducteur à interférences quantiques
(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID). Théoriquement, cet appareil permet des mesures plus précises que la précédente (sensibilité de l’ordre de 10-7 emu), jusqu’à une température de 4K, au prix d’un temps d’acquisition bien plus long. Grâce à la bobine supraconductrice utilisée pour générer le champ magnétique, il est possible d’atteindre des champs relativement élevés (5T) avec une faible consommation électrique. L’échantillon est monté sur une canne qui subit une translation à travers deux bobines supraconductrices, entraînant ainsi une variation de flux, captée par les bobines, sous forme d’une variation de potentiel. La plupart des mesures seront réalisées à basse température (20K).
2.4.2 Mesures dynamiques de résonance ferromagnétique par
la technique micro-ruban
La résonance ferromagnétique permet de mesurer de nombreux paramètres magnétiques sensibles avec une grande précision tels que le facteur gyromagnétique ou le champ d’anisotropie magnétocristalline 117. C’est une méthode originale initialement développée à l’IMCN dans le but de mesurer les propriétés hyperfréquences de dispositifs rf basés sur l’interaction entre NFs métalliques FM dans les membranes nanoporeuses.
Si l’on considère un ensemble de spins d’un point de vue statique, ces spins seront figés dans l’espace et dans le temps. D’un point de vue dynamique, on s’aperçoit que pour chacun d’entre eux, l’aimantation est en précession autour de la direction du champ magnétique externe à sa fréquence de précession de Larmor — ˜ _}} où γ est le facteur
gyromagnétique donné pour un matériau. Le terme _}} correspond au champ effectif local qui a tendance à maintenir l’aimantation à l’équilibre et regroupe des contributions dipolaires et d’anisotropies.
Lorsqu’une onde électromagnétique hyperfréquence est injectée avec son champ magnétique ^/ perpendiculaire à l’aimantation des spins, celui-ci va sortir l’aimantation hors de sa position d’équilibre en exerçant un couple xxxxy × xxy^/. En retour, le champ effectif va exercer à son tour un couple xxy ×xxxxxxxxxy sur l’aimantation qui aura tendance à revenir vers sa _}}
position d’équilibre en suivant une trajectoire spirale qui sera d’autant plus courte que l’amortissement sera fort. Si l’excitation hyperfréquence est appliquée de manière continue, alors la précession de l’aimantation sera entretenue, puisqu’elle ne peut pas revenir dans sa position d’équilibre. Le phénomène dit de résonance ferromagnétique (RFM) est atteint lorsque la fréquence de l’excitation est égale à la fréquence de précession propre de l’aimantation (fréquence de Larmor ω). Lorsque cette condition est respectée, alors l’énergie absorbée par le système est maximale. Pour observer un phénomène de résonance ferromagnétique, a direction du champ hyperfréquence doit être perpendiculaire à l’aimantation. Ceci est nécessaire pour que le champ puisse exercer un couple sur l’aimantation.
Le template AAO rempli de NFs est préalablement recouvert d’une ligne de transmission en Au, pour assurer la transmission du signal hyperfréquence à travers l’échantillon (Figure 2.15). Le procédé d’évaporation de la ligne métallique est identique à celui du dépôt de la cathode. Cependant, dans ce cas nous utilisons des masques dont l’empreinte linéaire est parfaitement calibrée (60 µm, 150 µm ou 500 µm de largeur) pour une épaisseur de 1 µm.
Figure. 2.15. Schéma de principe de la mesure RFM par la technique micro-ruban appliquée aux templates AAO remplis de NFs magnétiques.
L’acquisition du signal hyperfréquence est réalisée par le biais d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA, pour Vector Network Analyzer) opérant jusqu’à 65 GHz. L’onde hyperfréquence est générée par la source micro-onde intégrée dans la VNA, et l’analyseur mesure les coefficients de transmission/absorption su signal traversant la ligne de transmission. Il suffit donc de mettre en contact chacun des ports de l’analyseur sur chacune des entrées de l’échantillon (contact par pointes). La génération du champ magnétique est assurée par un électro-aimant, alimenté par une source pouvant délivrer une tension de 220 V pour 40 A, soit un champ maximum de 1,1 T.
La mesure consiste à injecter une onde à travers l’échantillon de manière à ce que sa composante magnétique HAC soit perpendiculaire à l’axe des NFs et permette la résonance. L’amplitude et la phase du signal transmis sont mesurées en parallèle, la gamme de puissance typique correspond à ™ 10 dB. Deux types de mesures sont alors possibles : un balayage fréquentiel sous champ magnétique constant ou à l’inverse un balayage du champ magnétique pour une fréquence fixe. On préfèrera la seconde option qui est idéale pour obtenir des informations fines sur l'absorption FMR sans tenir compte de certaines contributions parasites (conduction, polarisation). La fréquence de l’onde est fixée et la transmission du signal est mesurée en fonction du champ extérieur parallèle à l’axe des NFs généré par l’électro-aimant. En répétant cette opération à différentes valeurs de la fréquence d’excitation, on obtient une relation de dispersion dont un exemple est donné Figure 2.16. Après un ajustement linéaire, on peut extraire les différents champs d’anisotropie à partir des relations définies précédemment.
Figure. 2.16. Relation de dispersion tracée expérimentalement pour un réseau ordonné de NFs de Ni (P=4%). Un ajustement linéaire permet d’obtenir le champ effectif à partir des relations établies au chapitre précédent et l’intersection de cette droite avec l’axe des fréquences donne la fréquence de résonnance du système.
Quelques expression des relations de dispersion
Pour un réseau de NFs sans anisotropie magnétocristalline, le champ effectif _}} s’écrit :
_}} 2 r× (1 − 3 ) (2.30)
avec r l’aimantation à saturation du métal constituant les NFs et la porosité du template. La relation de dispersion équivalente à la fréquence de résonance — est exprimée :
S—˜T + _}} (2.31)
avec ˜ le rapport gyromagnétique du métal exprimé en GHz/Oe et le champ de résonance.
Pour un réseau de NFs avec anisotropie magnétocristalline parallèle à l’axe des NFs, le champ effectif est exprimé :
_}} 2 r(1 − 3 ) + ~ (2.32)
Avec ~ le champ d’anisotropie cristalline. La relation de dispersion associée sera identique à (2.31).
Pour un réseau de NFs avec anisotropie magnétocristalline perpendiculaire à l’axe des NFs, le champ effectif est identique à (2.32) avec ~< 0, puisque la direction de cette contribution est perpendiculaire à celle de l’anisotropie de forme, conformément aux conventions choisies. Deux cas sont à distinguer selon la valeur de l’anisotropie magnétocristalline. En effet, si elle est plus faible que l’énergie magnétostatique (qui rassemble l’anisotropie de forme et le couplage
dipolaire), l’anisotropie effective totale du système sera toujours selon la direction parallèle aux NFs ( _}} > 0). En revanche, si elle est plus importante, alors l’anisotropie effective sera perpendiculaire.
En conclusion, ce second chapitre dédié aux réseaux de NFs magnétiques dans AAO nous a permis d’introduire les techniques développées et utilisées à l’IMCN (UCL) depuis une vingtaine d’années pour la fabrication et la caractérisation des systèmes purement magnétiques dans AAO. Nous avons souligné la fiabilité, la reproductibilité et la versatilité de la double approche électrochimique qui permet de fabriquer des réseaux ordonnés de NFs aux géométries variées dont les propriétés magnétiques complexes ont fait l’objet d’études approfondies. La compréhension préalable de ces systèmes de référence est un prérequis essentiel à l’étude des systèmes cœur-écorce diélectrique/magnétique obtenus par une étape supplémentaire de modification du template.